JP4872526B2 - Storage device - Google Patents

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Description

本発明は、2つの電極に極性の異なる電位を印加することにより、記憶層の抵抗値が変化する記憶素子を備えた記憶装置に関わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。   The present invention relates to a memory device including a memory element in which a resistance value of a memory layer changes by applying potentials having different polarities to two electrodes, and is suitable for application to a nonvolatile memory.

コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のDRAMが広く使用されている。   In information equipment such as a computer, a high-speed and high-density DRAM is widely used as a random access memory.

しかしながら、DRAMは、電子機器に用いられる一般的な論理回路LSIや信号処理と比較して製造プロセスが複雑であるため、製造コストが高くなっている。
また、DRAMは、電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであり、頻繁にリフレッシュ動作、即ち書き込んだ情報(データ)を読み出し、増幅し直して、再度書き込み直す動作を行う必要がある。
However, a DRAM has a higher manufacturing cost because a manufacturing process is more complicated than a general logic circuit LSI or signal processing used in an electronic device.
The DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, and it is necessary to frequently perform a refresh operation, that is, an operation of reading, amplifying, and rewriting the written information (data).

そこで、電源を切っても情報が消えない不揮発性のメモリとして、例えばFeRAM(強誘電体メモリ)やMRAM(磁気記憶素子)等が提案されている。
これらのメモリの場合、電源を供給しなくても書き込んだ情報を長時間保持し続けることが可能になる。
また、これらのメモリの場合、不揮発性とすることにより、リフレッシュ動作を不要にして、その分消費電力を低減することができると考えられる。
Thus, for example, FeRAM (ferroelectric memory), MRAM (magnetic memory element), and the like have been proposed as nonvolatile memories whose information does not disappear even when the power is turned off.
In the case of these memories, it is possible to keep the written information for a long time without supplying power.
In addition, in the case of these memories, it is considered that by making them non-volatile, the refresh operation is unnecessary and the power consumption can be reduced accordingly.

しかしながら、上述の不揮発性のメモリは、各メモリセルを構成するメモリ素子の縮小化に伴い、記憶素子としての特性を確保することが困難になってくる。
このため、デザインルールの限界や製造プロセス上の限界まで素子を縮小化することは難しい。
However, with the above-described nonvolatile memory, it is difficult to ensure characteristics as a memory element as the memory elements constituting each memory cell are reduced.
For this reason, it is difficult to reduce the element to the limit of the design rule and the limit of the manufacturing process.

そこで、縮小化に適した構成のメモリとして、新しいタイプの記憶素子が提案されている。
この記憶素子は、2つの電極の間に、ある金属を含むイオン導電体を挟んだ構造である。
そして、2つの電極のいずれか一方にイオン導電体中に含まれる金属を含ませることにより、2つの電極間に電圧を印加した場合に、電極中に含まれる金属がイオン導電体中にイオンとして拡散するため、これによりイオン導電体の抵抗値或いはキャパシタンス等の電気特性が変化する。
この特性を利用して、メモリデバイスを構成することが可能である(例えば特許文献1、非特許文献1参照)。
Therefore, a new type of storage element has been proposed as a memory having a configuration suitable for downsizing.
This memory element has a structure in which an ionic conductor containing a certain metal is sandwiched between two electrodes.
And by including the metal contained in the ionic conductor in one of the two electrodes, when a voltage is applied between the two electrodes, the metal contained in the electrode becomes an ion in the ionic conductor. Due to the diffusion, this changes the electrical properties such as resistance or capacitance of the ionic conductor.
A memory device can be configured using this characteristic (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

具体的には、イオン導電体はカルコゲナイドと金属との固溶体よりなり、さらに具体的には、AsS,GeS,GeSeにCu,Ag,Znが固溶された材料からなり、2つの電極のいずれか一方の電極には、Cu,Ag,Znを含んでいる(上記特許文献1参照)。   Specifically, the ionic conductor is made of a solid solution of chalcogenide and metal, and more specifically, made of a material in which Cu, Ag, Zn is dissolved in AsS, GeS, GeSe, and one of the two electrodes. One electrode contains Cu, Ag, and Zn (see Patent Document 1).

しかしながら、上述した、上部電極或いは下部電極のいずれかにCu,Ag,Znを含み、それらの電極にGeS或いはGeSeアモルファスカルコゲナイド材料が挟まれた構造の記憶素子では、抵抗変化を生じる前述したイオン導電体が、製造プロセス中での温度上昇、記録電流のジュール熱による温度上昇、データの長期保存時の長期間による熱負荷等により、結晶化が促進されて、全面的又は部分的な結晶化が生じることにより、記憶素子の抵抗値の変化や、記録・消去動作電圧の変化等、本来の電気的特性が変化してしまう、という問題を有していた。   However, in the memory element having a structure in which Cu, Ag, or Zn is contained in either the upper electrode or the lower electrode and GeS or GeSe amorphous chalcogenide material is sandwiched between the electrodes, the above-described ion conduction that causes a change in resistance. Crystallization is promoted due to temperature rise during the manufacturing process, temperature rise due to Joule heat of the recording current, long-term heat load during data storage, and full or partial crystallization As a result, the original electrical characteristics such as a change in the resistance value of the memory element and a change in the recording / erasing operation voltage are changed.

そこで、本出願人は、先に、抵抗が変化することにより情報が記録される記憶層に各種酸化物の薄膜を用いて、比較的高抵抗の記憶層を構成すると共に、記憶層に接してCu,Ag,Znを含有する層を配置した記憶素子を提案している(特許文献2参照)。
記憶層に酸化物の薄膜を用いることにより、この記憶層が電気伝導上のバリアの役割を果たす。
Therefore, the present applicant firstly uses a thin film of various oxides for the memory layer on which information is recorded by changing the resistance to form a relatively high resistance memory layer and is in contact with the memory layer. A memory element in which a layer containing Cu, Ag, Zn is arranged has been proposed (see Patent Document 2).
By using an oxide thin film for the memory layer, this memory layer serves as a barrier for electrical conduction.

また、この記憶素子において、Cu,Ag,Znを含有する層に、Te,S,Seから選ばれる元素(カルコゲン元素)を含有させることができる。このようにカルコゲン元素を含有させることにより、Cu,Ag,Znの金属元素とカルコゲン元素とが結合して、金属カルコゲナイド層が形成される。
この金属カルコゲナイド層は、主に非晶質構造を有しており、イオン導体としての役割を果たす。
In this memory element, an element selected from Te, S, and Se (chalcogen element) can be contained in the layer containing Cu, Ag, and Zn. By including the chalcogen element in this manner, the metal element of Cu, Ag, Zn and the chalcogen element are combined to form a metal chalcogenide layer.
This metal chalcogenide layer mainly has an amorphous structure and serves as an ion conductor.

この記憶素子では、Cu,Ag,Znを含む層側の一方の電極に正電位を印加すると、Cu,Ag,Znがイオン化して記憶層(酸化物薄膜)中に拡散し、記憶層側の他方の電極付近で電子と結合して析出することにより、或いは記憶層中に留まり絶縁層の不純物準位を形成することにより、記憶層の抵抗値が低くなり、記憶素子の抵抗値も低くなる。これにより、情報の書き込みが行われる。
一方、この状態から、Cu,Ag,Znを含む層側の一方の電極に負電位を印加すると、他方の電極側に析出していたCu,Ag,Znが再びイオン化して、一方の電極側の層に戻ることにより、記憶層の抵抗値が元の高い状態に戻り、記憶素子の抵抗値も高くなる。これにより、書き込んだ情報の消去が行われる。
そして、例えば、抵抗値の高い状態を「0」の情報に、抵抗値の低い状態を「1」の情報に、それぞれ対応させると、正電圧の印加による情報の書き込み過程で「0」から「1」に変えて、負電圧の印加による情報の消去過程で、「1」から「0」に変えることができる。
In this memory element, when a positive potential is applied to one electrode on the layer side containing Cu, Ag, and Zn, Cu, Ag, and Zn are ionized and diffused into the memory layer (oxide thin film). The resistance value of the memory layer is lowered and the resistance value of the memory element is also lowered by being deposited in combination with electrons near the other electrode or by staying in the memory layer and forming an impurity level of the insulating layer. . Thereby, information is written.
On the other hand, when a negative potential is applied to one electrode on the layer side containing Cu, Ag, Zn from this state, Cu, Ag, Zn deposited on the other electrode side is ionized again, and one electrode side By returning to this layer, the resistance value of the memory layer returns to the original high state, and the resistance value of the memory element also increases. Thereby, the written information is erased.
For example, if a state with a high resistance value is associated with information “0” and a state with a low resistance value is associated with information “1”, the information is written from “0” to “0” in the process of writing information by applying a positive voltage. Instead of “1”, it can be changed from “1” to “0” in the process of erasing information by applying a negative voltage.

この記憶素子では、記憶層に酸化物を用いていることにより、高温環境下或いは長期保存時においても、記録された情報を安定して保持することができ、上述した問題を解決することが可能になる。   In this memory element, by using an oxide in the memory layer, recorded information can be stably held even in a high temperature environment or during long-term storage, and the above-described problems can be solved. become.

特表2002−536840号公報Special Table 2002-536840 Publication 特開2005−197634号公報JP 2005-197634 A 日経エレクトロニクス 2003年1月20日号(第104頁)Nikkei Electronics January 20, 2003 issue (page 104)

しかしながら、前述の記憶層に酸化物の薄膜を用いた記憶素子において、記憶素子を低抵抗状態から高抵抗状態に変化させる、消去過程後の抵抗値が、ばらつくことがある。   However, in a memory element using an oxide thin film as the memory layer, the resistance value after the erasing process for changing the memory element from the low resistance state to the high resistance state may vary.

消去過程後の抵抗値にばらつきがあると、記録された情報を読み出す際に、正確に読み出すことができず読み出しエラーとなることがある。
従って、このような消去過程後の抵抗値のばらつきを解消することが望まれる。
If the resistance value after the erasing process varies, when the recorded information is read out, it cannot be read out accurately and a read error may occur.
Therefore, it is desired to eliminate such variation in resistance value after the erasing process.

上述した問題の解決のために、本発明においては、メモリセルを構成する記憶素子の抵抗値のばらつきの発生を抑制することができ、情報の記録の動作や記録した情報の読み出しを安定して行うことができる記憶装置を提供するものである。   In order to solve the above-described problems, in the present invention, it is possible to suppress the occurrence of variations in the resistance values of the memory elements that constitute the memory cell, and to stably perform the information recording operation and the recorded information reading. A storage device that can be used is provided.

本発明の記憶装置は、2つの電極の間に、非晶質の希土類元素の酸化物から成る記憶層が配置され、この記憶層に接して、Cu,Ag,Znから選ばれるいずれかの金属元素を含む層が設けられた記憶素子を備え、2つの電極間に電圧を印加することにより、記憶素子の記憶層内の局所領域に、金属元素(Cu,Ag,Zn)を含有する伝導パスが形成され、かつこの伝導パスの結晶学的な構造が結晶化せず非晶質が維持されるように、記憶素子に流れる電流量が制御されているものである。 In the memory device of the present invention, a memory layer made of an amorphous rare earth element oxide is disposed between two electrodes, and any one metal selected from Cu, Ag, and Zn is in contact with the memory layer. A storage element including a layer including an element and a conductive path containing a metal element (Cu, Ag, Zn) in a local region in the storage layer of the storage element by applying a voltage between the two electrodes And the amount of current flowing through the memory element is controlled so that the crystallographic structure of the conduction path is not crystallized and is kept amorphous .

上述の本発明の記憶装置の構成によれば、2つの電極の間に、非晶質の希土類元素の酸化物から成る記憶層が配置され、この記憶層に接して、Cu,Ag,Znから選ばれるいずれかの金属元素を含む層が設けられた記憶素子を備えていることにより、記憶層の抵抗値の変化により記憶素子に情報を記録することが可能になる。
また、2つの電極間に電圧を印加することにより、記憶素子の記憶層内の局所領域に金属元素(Cu,Ag,Zn)を含有する伝導パスが形成されるので、この伝導パスの形成により、伝導パスを通じて金属元素を含む層と記憶層の側との電極とが導通すると共に、伝導パスによって記憶層の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態となる。
そして、記憶層が低抵抗状態となっているときに、2つの電極間に伝導パスを形成するときとは逆の極性の電圧を印加すると、伝導パスの金属元素が元の層(金属元素を含む層)に戻るので、伝導パスが解消して、金属元素を含む層と記憶層の側との電極との導通が切れると共に、記憶層の抵抗値が低抵抗状態から高抵抗状態となる。
さらに、伝導パスの結晶的な構造が非晶質である場合は、伝導パス内の金属元素の多くが、記憶層内に金属イオンの状態で存在するので、2つの電極間に伝導パスを形成するときとは逆の極性の電圧を印加して伝導パスを解消する際に、クーロン力の効果による金属元素の移動が容易であり、高抵抗状態において記憶層内に金属元素が残存することを抑制することが可能になる。これにより、記憶層を低抵抗状態から高抵抗状態に変化させる過程(前述した消去過程)後の抵抗値のばらつきを抑制することが可能になる。
According to the configuration of the memory device of the present invention described above, a memory layer made of an amorphous rare earth oxide is disposed between two electrodes, and Cu, Ag, and Zn are in contact with the memory layer. By including a memory element provided with a layer containing any of the selected metal elements, information can be recorded in the memory element due to a change in the resistance value of the memory layer.
Also, by applying a voltage between the two electrodes, a conduction path containing a metal element (Cu, Ag, Zn) is formed in a local region in the memory layer of the memory element. In addition, the metal element-containing layer and the electrode on the memory layer side are conducted through the conduction path, and the resistance value of the memory layer is changed from the high resistance state to the low resistance state by the conduction path.
When the memory layer is in a low resistance state and a voltage having a polarity opposite to that for forming the conduction path between the two electrodes is applied, the metal element of the conduction path is changed to the original layer (the metal element Therefore, the conduction path is eliminated, the conduction between the layer containing the metal element and the electrode on the memory layer side is cut off, and the resistance value of the memory layer is changed from the low resistance state to the high resistance state.
Further, when the crystalline structure of the conduction path is amorphous, most of the metal elements in the conduction path exist in the state of metal ions in the memory layer, so that a conduction path is formed between the two electrodes. When applying a voltage of the opposite polarity to canceling the conduction path, it is easy to move the metal element due to the effect of Coulomb force, and the metal element remains in the memory layer in a high resistance state. It becomes possible to suppress. Thereby, it is possible to suppress variations in resistance value after the process of changing the memory layer from the low resistance state to the high resistance state (the erasing process described above).

上述の本発明によれば、記憶層を低抵抗状態から高抵抗状態に変化させる過程(消去過程)後の抵抗値のばらつきを抑制することが可能になるので、情報の記録の動作や記録した情報の読み出しを安定して行うことができる。
従って、本発明により、動作が安定した信頼性の高い記憶装置を実現することができる。
According to the above-described present invention, it is possible to suppress variation in resistance value after the process of changing the memory layer from the low resistance state to the high resistance state (erasing process). Information can be read stably.
Therefore, according to the present invention, a highly reliable storage device with stable operation can be realized.

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。   First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.

本発明者等は、消去過程後の抵抗値のばらつきの要因を明らかにするために、透過電子顕微鏡(TEM)及びTEMに付随したエネルギー分散型X線分光装置(EDX)を用いて、メモリセルを構成する記憶素子の結晶構造及び組成分布構造を解析した。
解析の結果、消去過程後の抵抗値のばらつきを左右する要因が、書き込み過程で記憶層中に形成される伝導パスの結晶学的な構造であることを見出した。
The present inventors have used a transmission electron microscope (TEM) and an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) attached to the TEM to clarify the cause of the resistance variation after the erasing process. The crystal structure and the composition distribution structure of the memory element constituting the structure were analyzed.
As a result of the analysis, it was found that the factor that determines the variation in resistance value after the erasing process is the crystallographic structure of the conduction path formed in the memory layer in the writing process.

そこで、本発明は、書き込み過程において、記憶層中にCu,Ag,Znを含有する伝導パスが形成され、かつこの伝導パスの結晶学的な構造が非晶質である構成とする。
この伝導パスが非晶質であることにより、消去過程後の抵抗値のばらつきを抑制することが可能になる。
Therefore, the present invention has a structure in which a conduction path containing Cu, Ag, and Zn is formed in the memory layer in the writing process, and the crystallographic structure of the conduction path is amorphous.
Since the conduction path is amorphous, it is possible to suppress variation in resistance value after the erasing process.

一方、この伝導パスが結晶質であると、消去過程後の抵抗値にばらつきを生じやすくなる。
これは、伝導パスを形成していたCu,Ag,Znが、消去過程後も記憶層中に残存しているためと考えられる。
書き込み過程では、Cu,Ag,Znがイオン化した後に、電流により発生した熱やクーロン力によって拡散する。そして、書き込み過程において、電流量が大きかったり、温度が高かったりすると、金属イオンの還元反応が促進され、結晶化しやすくなる。消去過程では、クーロン力と電流により発生した熱の効果によって、金属元素が記憶層から抜けて元に戻るが、伝導パスが結晶化して金属結合性材料の性質を持つようになると、イオン化のためのエネルギーが多く必要になり、クーロン力の効果が相対的に小さくなってしまう。
On the other hand, if the conduction path is crystalline, the resistance value after the erasing process tends to vary.
This is presumably because Cu, Ag, and Zn that formed the conduction path remain in the memory layer even after the erasing process.
In the writing process, Cu, Ag, and Zn are ionized and then diffused by the heat generated by the current and the Coulomb force. In the writing process, if the amount of current is large or the temperature is high, the reduction reaction of the metal ions is promoted and the crystallization is facilitated. In the erasing process, the metal element escapes from the memory layer and returns to its original state due to the effect of the heat generated by the Coulomb force and current, but when the conduction path crystallizes and has the properties of a metal-bonding material, ionization occurs. More energy is required, and the effect of the Coulomb force becomes relatively small.

従って、書き込み過程において、伝導パスが結晶化しないように、記憶素子に流れる電流量や記憶素子の温度(特に記憶層の温度)を制御することが望ましい。   Therefore, it is desirable to control the amount of current flowing through the memory element and the temperature of the memory element (particularly the temperature of the memory layer) so that the conduction path is not crystallized in the writing process.

続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。   Subsequently, specific embodiments of the present invention will be described.

本発明の一実施の形態の記憶装置を構成する、記憶素子の概略構成図(断面図)を図1に示す。
この記憶素子は、メモリセルを構成する抵抗変化素子10が多数アレイ状に配置されて構成されている。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element that constitutes a memory device according to an embodiment of the present invention.
This memory element is configured by arranging a large number of variable resistance elements 10 constituting a memory cell in an array.

抵抗変化素子10は、下部電極1と上部電極4との間に、抵抗状態が変化することにより情報が記録される記憶層2と、Cu,Ag,Znから選ばれる1種以上の元素を含有する層3とが挟まれて成る。
このCu,Ag,Znから選ばれる1種以上の元素は、前述したようにイオン化して記憶層2の抵抗値を変化させるので、イオン源となるものである。
以下、このCu,Ag,Znから選ばれる1種以上の元素(イオン源元素)を含有する層を、イオン源層3と呼ぶこととする。
The resistance change element 10 includes a memory layer 2 in which information is recorded by changing a resistance state between the lower electrode 1 and the upper electrode 4, and one or more elements selected from Cu, Ag, and Zn. And the layer 3 to be sandwiched.
One or more elements selected from Cu, Ag, and Zn are ionized to change the resistance value of the memory layer 2 as described above, and thus serve as an ion source.
Hereinafter, a layer containing one or more elements (ion source elements) selected from Cu, Ag, and Zn is referred to as an ion source layer 3.

また、イオン源層3には、Cu,Ag,Znから選ばれる1種以上の元素(イオン源元素)の他に、S,Se,Teから選ばれる1種以上の元素(カルコゲナイド元素)を含有させてもよい。
上述のイオン源層3として、具体的には、例えばCuTeGeGd膜やCuTeGe膜を用いることができる。
The ion source layer 3 contains one or more elements (chalcogenide elements) selected from S, Se, and Te in addition to one or more elements (ion source elements) selected from Cu, Ag, and Zn. You may let them.
Specifically, for example, a CuTeGeGd film or a CuTeGe film can be used as the ion source layer 3 described above.

記憶層2には、希土類元素の酸化物を用いる。
記憶層2に、希土類元素の酸化物を用いることにより、希土類元素の酸化物の融点が高いため、高温環境下での記憶層2の安定性を高くすることができる。
For the memory layer 2, an oxide of a rare earth element is used.
By using a rare earth element oxide for the memory layer 2, the melting point of the rare earth element oxide is high, so that the stability of the memory layer 2 in a high temperature environment can be increased.

記憶層2に用いる希土類元素としては、任意の希土類元素を用いることが可能であるが、好ましくは、Y,La,Nd,Sm,Gd,Tb,Dyから選ばれる1種類以上の希土類元素を用いる。   Arbitrary rare earth elements can be used as the rare earth elements used in the memory layer 2, but preferably one or more rare earth elements selected from Y, La, Nd, Sm, Gd, Tb, and Dy are used. .

また、図1の構成において、それぞれの抵抗変化素子10は、半導体基板11に形成されたMOSトランジスタTrの上方に形成されている。
このMOSトランジスタTrは、半導体基板11内の素子分離層12により分離された領域に形成されたソース/ドレイン領域13と、ゲート電極14とから成る。ゲート電極14の壁面には、サイドウォール絶縁層が形成されている。
また、ゲート電極14は、記憶素子の一方のアドレス配線であるワード線WLを兼ねている。
そして、MOSトランジスタTrのソース/ドレイン領域13の一方と、抵抗変化素子10の下部電極1とが、プラグ層15・金属配線層16・プラグ層17を介して、電気的に接続されている。
MOSトランジスタTrのソース/ドレイン領域13の他方は、プラグ層15を介して金属配線層16に接続されている。この金属配線層16は、記憶素子の他方のアドレス配線であるビット線BL(図2参照)に接続される。
In the configuration of FIG. 1, each resistance change element 10 is formed above the MOS transistor Tr formed on the semiconductor substrate 11.
The MOS transistor Tr includes a source / drain region 13 formed in a region separated by the element isolation layer 12 in the semiconductor substrate 11 and a gate electrode 14. A sidewall insulating layer is formed on the wall surface of the gate electrode 14.
The gate electrode 14 also serves as a word line WL which is one address wiring of the memory element.
One of the source / drain regions 13 of the MOS transistor Tr and the lower electrode 1 of the resistance change element 10 are electrically connected via the plug layer 15, the metal wiring layer 16, and the plug layer 17.
The other of the source / drain regions 13 of the MOS transistor Tr is connected to the metal wiring layer 16 through the plug layer 15. The metal wiring layer 16 is connected to a bit line BL (see FIG. 2) which is the other address wiring of the memory element.

さらに、メモリセルアレイの部分(メモリ部)全体にわたって、各メモリセルを構成する抵抗変化素子10が、記憶層2・イオン源層3・上部電極4の各層を共有している。言い換えれば、各抵抗変化素子10が、それぞれ同一層の記憶層2・イオン源層3・上部電極4により構成されている。   Further, the variable resistance element 10 constituting each memory cell shares the layers of the memory layer 2, the ion source layer 3, and the upper electrode 4 throughout the memory cell array portion (memory portion). In other words, each resistance change element 10 is composed of the same memory layer 2, ion source layer 3, and upper electrode 4.

そして、共通に形成された上部電極4は、後述するプレート電極PLとなるものである。
一方、下部電極1は、メモリセル毎に個別に形成されており、各メモリセルが電気的に分離されている。このメモリセル毎に個別に形成された下部電極1によって、各下部電極1に対応した位置に、各メモリセルの抵抗変化素子10が規定される。
また、下部電極1は、各々対応する選択用のMOSトランジスタTrに接続されている。
The upper electrode 4 formed in common serves as a plate electrode PL described later.
On the other hand, the lower electrode 1 is individually formed for each memory cell, and each memory cell is electrically isolated. The resistance change element 10 of each memory cell is defined at a position corresponding to each lower electrode 1 by the lower electrode 1 formed individually for each memory cell.
The lower electrode 1 is connected to a corresponding selection MOS transistor Tr.

また、本実施の形態の記憶素子の模式的平面図を図2に示す。
図2においては、MOSトランジスタTrのアクティブ領域18を鎖線で示している。また、図中21は、抵抗変化素子10の下部電極1に通じるコンタクト部を示し、22は、ビット線BLに通じるコンタクト部を示している。
FIG. 2 shows a schematic plan view of the memory element of this embodiment.
In FIG. 2, the active region 18 of the MOS transistor Tr is indicated by a chain line. In the figure, reference numeral 21 denotes a contact portion that leads to the lower electrode 1 of the variable resistance element 10, and 22 denotes a contact portion that leads to the bit line BL.

図2に示すように、プレート電極PLがメモリセルアレイの部分(メモリ部)全体にわたって形成されている。   As shown in FIG. 2, the plate electrode PL is formed over the entire memory cell array portion (memory portion).

続いて、図1及び図2に示す構成の記憶素子の製造方法を説明する。
この記憶素子は、例えば次のようにして、製造することができる。
Next, a method for manufacturing the memory element having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 will be described.
This memory element can be manufactured, for example, as follows.

まず、半導体基板11にMOSトランジスタTrを形成する。
その後、表面を覆って絶縁層を形成する。
次に、この絶縁層にビアホールを形成する。
続いて、CVD法或いはメッキ等の方法により、ビアホールの内部を、例えばW,WN,TiW等の電極材で充填する。
次に、表面をCMP法等により平坦化する。
そして、これらの工程を繰り返すことにより、プラグ層15・金属配線層16・プラグ層17・下部電極1を形成することができ、下部電極1をメモリセル毎にパターニングすることができる。
First, the MOS transistor Tr is formed on the semiconductor substrate 11.
Thereafter, an insulating layer is formed covering the surface.
Next, a via hole is formed in this insulating layer.
Subsequently, the inside of the via hole is filled with an electrode material such as W, WN, or TiW by a method such as CVD or plating.
Next, the surface is planarized by a CMP method or the like.
By repeating these steps, the plug layer 15, the metal wiring layer 16, the plug layer 17, and the lower electrode 1 can be formed, and the lower electrode 1 can be patterned for each memory cell.

続いて、メモリセル毎に分離して形成された下部電極1上に、希土類元素の酸化物から成る記憶層2を全面的に堆積させる。
なお、このとき、下部電極1の表面は、理想的には、周囲の絶縁層と同一の高さに形成されて、平坦化されていることが望ましい。
例えば、記憶層2として、ガドリニウム酸化膜を堆積させる。このガドリニウム酸化膜は、金属ガドリニウム膜を堆積させた後に、熱酸化或いは、酸素含有プラズマ雰囲気中でのプラズマ酸化等を行うことにより形成することができる。このガドリニウム酸化膜の結晶学的な構造は非晶質である。
Subsequently, a memory layer 2 made of a rare earth element oxide is deposited on the entire surface of the lower electrode 1 formed separately for each memory cell.
At this time, it is desirable that the surface of the lower electrode 1 is ideally formed at the same height as the surrounding insulating layer and is flattened.
For example, a gadolinium oxide film is deposited as the memory layer 2. This gadolinium oxide film can be formed by performing thermal oxidation or plasma oxidation in an oxygen-containing plasma atmosphere after depositing a metal gadolinium film. The crystallographic structure of this gadolinium oxide film is amorphous.

次に、記憶層2上に、イオン源層3を全面的に堆積する。例えば、イオン源層3として、厚さ20nmのCuTeGeGd膜を堆積させる。このCuTeGeGdは抵抗が低い材料であるため、そのまま上部電極4として用いることも可能であるが、上部電極4にはさらに抵抗の低い材料を用いることが望ましい。   Next, an ion source layer 3 is entirely deposited on the storage layer 2. For example, a CuTeGeGd film having a thickness of 20 nm is deposited as the ion source layer 3. Since CuTeGeGd is a material having a low resistance, it can be used as the upper electrode 4 as it is. However, it is desirable to use a material having a lower resistance for the upper electrode 4.

さらに、イオン源層3上に、上部電極4を全面的に堆積する。例えば、上部電極4として、イオン源層3の材料よりも抵抗の低い金属材料、シリサイド、TaN,Wn等の低抵抗窒化物を堆積させる。   Further, the upper electrode 4 is deposited on the entire surface of the ion source layer 3. For example, as the upper electrode 4, a metal material having a lower resistance than the material of the ion source layer 3, a low-resistance nitride such as silicide, TaN, or Wn is deposited.

その後、全面的に形成された記憶層2・イオン源層3・上部電極4を、メモリセルアレイの部分(メモリ部)全体にわたって残るようにパターニングする。
このとき、メモリセルアレイの部分(メモリ部)全体にわたるパターンに加工するため、最先端の極微細加工技術を用いる必要がない。
なお、全ての工程の後に、熱処理を行うことにより、記憶素子を熱安定性の高い構造にすることができる。
Thereafter, the memory layer 2, the ion source layer 3, and the upper electrode 4 formed over the entire surface are patterned so as to remain over the entire memory cell array portion (memory portion).
At this time, since the pattern is processed over the entire memory cell array portion (memory portion), it is not necessary to use the most advanced ultra-fine processing technology.
Note that heat treatment is performed after all the steps, whereby the memory element can have a structure with high thermal stability.

本実施の形態においては、特に、書き込み過程(高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移させる過程)において、図1の記憶素子の要部の拡大図を図3に示すように、記憶層2内に、下部電極1とイオン源層3とをつないでイオン源元素(Cu,Ag,Zn)を含有する伝導パス31が形成され、かつ、この伝導パス31の結晶学的な構造が非晶質である構成とする。   In the present embodiment, particularly in a writing process (a process of transitioning from a high resistance state to a low resistance state), an enlarged view of the main part of the memory element in FIG. A conductive path 31 containing an ion source element (Cu, Ag, Zn) is formed by connecting the lower electrode 1 and the ion source layer 3, and the crystallographic structure of the conductive path 31 is amorphous. It has a certain configuration.

伝導パス31の結晶学的な構造が非晶質であることにより、詳細を後述するように、消去過程(低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移させる過程)後の抵抗値のばらつきを低減することができる。   Since the crystallographic structure of the conductive path 31 is amorphous, the variation in resistance value after the erasing process (the process of transitioning from the low resistance state to the high resistance state) is reduced, as will be described in detail later. Can do.

伝導パス31の結晶学的な構造は、本発明の概要で前述したように、伝導パス31を形成する書き込み過程における、電流量や温度に依存するので、伝導パス31が結晶化しないように、抵抗変化素子10に流れる電流量や記憶層2の温度等を制御して、書き込み過程を行うようにする。   As described above in the outline of the present invention, the crystallographic structure of the conduction path 31 depends on the amount of current and the temperature in the writing process for forming the conduction path 31, so that the conduction path 31 is not crystallized. The writing process is performed by controlling the amount of current flowing through the resistance change element 10 and the temperature of the memory layer 2.

続いて、本実施の形態の記憶装置における、記憶素子の動作を説明する。
ワード線WLにより選択用のMOSトランジスタTrのゲートをオン状態として、ビット線BLに電圧を印加すると、MOSトランジスタTrのソース/ドレイン13を介して、選択されたメモリセルの下部電極1に電圧が印加される。
Next, the operation of the memory element in the memory device of this embodiment will be described.
When the gate of the selection MOS transistor Tr is turned on by the word line WL and a voltage is applied to the bit line BL, the voltage is applied to the lower electrode 1 of the selected memory cell via the source / drain 13 of the MOS transistor Tr. Applied.

ここで、下部電極1に印加された電圧の極性が、上部電極4(プレート電極PL)の電位に比して負電位である場合には、イオン源層3に含有されるイオン源となる金属元素(Cu,Ag,Zn)がイオンとして下部電極1方向に移動する。このイオンが記憶層2に注入されて、拡散もしくは析出することによって、記憶層2の電気的な性質が局所的に変化して、記憶層2内に図3に示した伝導パス31が形成されるので、記憶層2の抵抗値が低抵抗状態になり、抵抗変化素子10の抵抗値も低抵抗状態へと遷移する。これにより、選択されたメモリセルの抵抗変化素子10に情報を書き込むことができる。   Here, when the polarity of the voltage applied to the lower electrode 1 is a negative potential compared to the potential of the upper electrode 4 (plate electrode PL), the metal serving as the ion source contained in the ion source layer 3 The element (Cu, Ag, Zn) moves in the direction of the lower electrode 1 as ions. When these ions are implanted into the memory layer 2 and diffused or precipitated, the electrical properties of the memory layer 2 are locally changed, and the conduction path 31 shown in FIG. 3 is formed in the memory layer 2. Therefore, the resistance value of the memory layer 2 becomes a low resistance state, and the resistance value of the resistance change element 10 also changes to the low resistance state. Thereby, information can be written in the resistance change element 10 of the selected memory cell.

また、下部電極1に、上部電極4(プレート電極PL)の電位に比して正電位である電圧を印加することにより、記憶層2内の伝導パス31の金属元素がイオンとなって、上部電極4(プレート電極PL)方向に移動することによって、記憶層2内の伝導パス31が解消されるので、記憶層2の抵抗値が高抵抗状態になり、抵抗変化素子10の抵抗値も高抵抗状態へと遷移する。これにより、選択されたメモリセルの抵抗変化素子10に対して、書き込まれた情報を消去することができる。   Further, by applying a voltage having a positive potential relative to the potential of the upper electrode 4 (plate electrode PL) to the lower electrode 1, the metal element of the conduction path 31 in the memory layer 2 becomes ions, and the upper electrode 4 By moving in the direction of the electrode 4 (plate electrode PL), the conduction path 31 in the memory layer 2 is eliminated, so that the resistance value of the memory layer 2 becomes a high resistance state and the resistance value of the resistance change element 10 is also high. Transition to the resistance state. Thereby, the written information can be erased from the variable resistance element 10 of the selected memory cell.

そして、この低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移させる消去過程後においては、上述したように伝導パス31が解消する。
しかしながら、伝導パス31の結晶学的構造が結晶質であると、金属結合した状態の金属元素がイオン化するために必要なエネルギーが大きくなるため、消去過程後においても記憶層2内に伝導パス31の金属元素が残存して、この残存した金属元素によって記憶層2の抵抗値が低くなることがある。このような現象により、消去過程後の抵抗値のばらつきが生じるものと考えられる。
これに対して、伝導パス31の結晶学的構造が非晶質であると、伝導パス31内の金属元素の多くは、記憶層2内に金属イオンの状態で存在するので、クーロン力の効果による金属元素の移動が容易であり、消去過程時に記憶層2内に金属元素が残らないようにすることが可能になる。これにより、消去過程後の抵抗値のばらつきを抑制することが可能になると考えられる。
Then, after the erasing process for transition from the low resistance state to the high resistance state, the conduction path 31 is eliminated as described above.
However, if the crystallographic structure of the conduction path 31 is crystalline, the energy required to ionize the metal element in the metal-bonded state becomes large, and therefore the conduction path 31 in the memory layer 2 even after the erasing process. This metal element may remain, and the resistance value of the memory layer 2 may be lowered by the remaining metal element. Such a phenomenon is considered to cause variations in resistance values after the erasing process.
On the other hand, when the crystallographic structure of the conduction path 31 is amorphous, most of the metal elements in the conduction path 31 are present in the state of metal ions in the memory layer 2, so the effect of the Coulomb force. It is easy to move the metal element due to, and it is possible to prevent the metal element from remaining in the memory layer 2 during the erasing process. Thereby, it is considered that variation in resistance value after the erasing process can be suppressed.

また、記録された情報の読み出しを行うには、例えば、MOSトランジスタTrによりメモリセルを選択して、選択したメモリセルに対して、所定の電圧或いは電流を印加し、抵抗変化素子10の抵抗状態により異なる電流或いは電圧を、ビット線BL或いはプレート電極PLの先に接続された図示しないセンスアンプを介して検出する。
このとき、選択したメモリセルに対して印加する電圧或いは電流は、抵抗変化素子10の抵抗値の状態が遷移する電圧或いは電流の閾値よりも小さくする。
In order to read the recorded information, for example, a memory cell is selected by the MOS transistor Tr, a predetermined voltage or current is applied to the selected memory cell, and the resistance state of the resistance change element 10 is determined. Thus, a different current or voltage is detected through a sense amplifier (not shown) connected to the tip of the bit line BL or the plate electrode PL.
At this time, the voltage or current applied to the selected memory cell is set to be smaller than the threshold voltage or current at which the resistance value of the resistance change element 10 changes.

なお、記憶層2の膜厚を、例えば数nm程度と非常に薄くすることにより、隣接するメモリセル間の干渉を抑制することが可能となる。
また、記憶層2は、少なくとも、高抵抗状態と低抵抗状態とで、読み出し信号が充分確保できる程度に、抵抗値の差があることが必要である。例えば、30%以上の差があることが必要である。
In addition, by making the film thickness of the memory layer 2 very thin, for example, about several nm, it becomes possible to suppress interference between adjacent memory cells.
Further, the memory layer 2 needs to have a difference in resistance value at least so that a read signal can be sufficiently secured between the high resistance state and the low resistance state. For example, a difference of 30% or more is necessary.

上述の本実施の形態によれば、記憶層2を高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移させる、書き込み過程において、記憶層2内に、下部電極1とイオン源層3とをつないでイオン源元素(Cu,Ag,Zn)を含有する伝導パス31を形成し、この伝導パス31の結晶学的な構造が非晶質となるように制御する。
これにより、記憶層2を低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移させる消去過程において、イオン源元素をイオン化させてイオン源層3に戻して伝導パス31を解消させるときに、イオン源元素を容易にイオン化させてイオン源層3に移動させることができる。このため、消去過程後に記憶層2にイオン源元素が残存することを抑制して、消去過程後の記憶層2のばらつきを抑制することができる。
According to the above-described embodiment, the ion source element is formed by connecting the lower electrode 1 and the ion source layer 3 in the memory layer 2 in the writing process in which the memory layer 2 is transitioned from the high resistance state to the low resistance state. A conduction path 31 containing (Cu, Ag, Zn) is formed, and the crystallographic structure of the conduction path 31 is controlled to be amorphous.
Accordingly, when the ion source element is ionized and returned to the ion source layer 3 to eliminate the conduction path 31 in the erasing process in which the memory layer 2 is transitioned from the low resistance state to the high resistance state, the ion source element is easily changed. It can be ionized and moved to the ion source layer 3. For this reason, it is possible to suppress the ion source element from remaining in the memory layer 2 after the erasing process, and to suppress variations in the memory layer 2 after the erasing process.

このように消去過程後の記憶層2の抵抗値のばらつきを抑制することが可能になるので、読み出しエラーの発生をなくして、記録された情報を正確に読み出すことが可能になる。また、消去過程後の記憶層2の抵抗値が低抵抗状態のままである、消去の失敗を回避することができる。
これにより、情報の記録の動作や記録した情報の読み出しを安定して行うことができる。
従って、動作が安定した信頼性の高い記憶装置を実現することができる。
As described above, it is possible to suppress the variation in the resistance value of the memory layer 2 after the erasing process, so that it is possible to read the recorded information accurately without generating a read error. In addition, it is possible to avoid an erase failure in which the resistance value of the memory layer 2 after the erase process remains in a low resistance state.
As a result, the operation of recording information and the reading of recorded information can be performed stably.
Therefore, a highly reliable storage device with stable operation can be realized.

上述の実施の形態では、ある程度多数のメモリセルにおいて、記憶層2等の各層を共通に形成してメモリセルアレイを構成していたが、各層を共通に形成するメモリセルの範囲は特に限定されず、同一行又は同一列のメモリセルのみ、2行又は2列のメモリセル、4×2等縦横数個のメモリセル等、様々な構成が可能である。   In the above-described embodiment, the memory cell array is configured by forming each layer such as the memory layer 2 in common in a certain number of memory cells. However, the range of the memory cell in which each layer is formed in common is not particularly limited. Various configurations are possible, such as only memory cells in the same row or column, memory cells in two rows or two columns, and 4 × 2 vertical and horizontal memory cells.

上述の実施の形態では、記憶層2・イオン源層3・上部電極4を隣接するメモリセルで共通に形成していたが、各層をメモリセル毎にパターニングして個別に形成してもよい。
また、隣接するメモリセルで共通に形成する層の範囲を上述の実施の形態とは変えて、記憶層のみ、もしくは記憶層及びイオン源層を共通に形成しても構わない。
さらに、記憶層とイオン源層の積層順序を逆にして、イオン源層の上に記憶層を形成しても構わない。
さらにまた、本発明において、記憶素子の膜構成は、上述の実施の形態で挙げた膜構成に限定されるものではなく、その他の膜構成も可能である。
In the above-described embodiment, the memory layer 2, the ion source layer 3, and the upper electrode 4 are formed in common in adjacent memory cells, but each layer may be formed individually by patterning for each memory cell.
In addition, the range of layers formed in common in adjacent memory cells may be changed from that in the above embodiment, and only the memory layer or the memory layer and the ion source layer may be formed in common.
Further, the storage layer may be formed on the ion source layer by reversing the stacking order of the storage layer and the ion source layer.
Furthermore, in the present invention, the film structure of the memory element is not limited to the film structure described in the above embodiment, and other film structures are possible.

(実施例)
ここで、実際に記憶装置を構成する記憶素子を作製して、特性や内部構造等を調べた。
(Example)
Here, a memory element actually constituting the memory device was manufactured, and characteristics, an internal structure, and the like were examined.

抵抗変化素子10の各層を、下部電極1をWN、記憶層2を厚さ2nmのガドリニウム酸化物層(Gd−O層)、イオン源層3を厚さ20nmのCuTeGe膜、上部電極4をWN、とそれぞれ選定して、図1に示した記憶素子を作製した。   Each layer of the resistance change element 10 includes a lower electrode 1 as WN, a memory layer 2 as a 2 nm thick gadolinium oxide layer (Gd-O layer), an ion source layer 3 as a 20 nm thick CuTeGe film, and the upper electrode 4 as a WN. , And the memory element shown in FIG. 1 was produced.

そして、MOSトランジスタTrのゲートのサイズの異なる、2種類のサンプルを作製した。具体的には、MOSトランジスタTrのゲート電極14を変えることにより、ソース領域とドレイン領域との間のゲートのサイズを変えることができる。
サンプル1は、MOSトランジスタTrのゲートのサイズを0.36μm×0.18μmとした。
サンプル2は、MOSトランジスタTrのゲートのサイズを2.5μm×0.18μmとした。
Then, two types of samples having different gate sizes of the MOS transistor Tr were produced. Specifically, the size of the gate between the source region and the drain region can be changed by changing the gate electrode 14 of the MOS transistor Tr.
In sample 1, the gate size of the MOS transistor Tr was 0.36 μm × 0.18 μm.
In sample 2, the size of the gate of the MOS transistor Tr was 2.5 μm × 0.18 μm.

作製した各サンプルに対して、記憶素子の下部電極1に−2Vのパルス電圧を1μsec印加することにより書き込み過程を行い、下部電極1に+2Vのパルス電圧を1μsec印加することにより消去過程を行った。
メモリセルに流れる電流は、MOSトランジスタTrのゲートのサイズにより制限されるものであり、サンプル1では250μA、サンプル2では2mAであった。
For each sample prepared, a writing process was performed by applying a pulse voltage of −2 V to the lower electrode 1 of the memory element for 1 μsec, and an erasing process was performed by applying a pulse voltage of +2 V to the lower electrode 1 for 1 μsec. .
The current flowing through the memory cell is limited by the size of the gate of the MOS transistor Tr, and was 250 μA in sample 1 and 2 mA in sample 2.

記憶層2のGd−O層は、電気伝導上のバリアの役割を果たし、イオン源層3はイオン導体としての役割を果たす。
未記録状態のメモリセルの抵抗変化素子10の抵抗値は、Gd−O層の抵抗で決定されるが、今回の各サンプルでは、500kΩであった。
The Gd—O layer of the storage layer 2 serves as a barrier for electrical conduction, and the ion source layer 3 serves as an ion conductor.
Although the resistance value of the resistance change element 10 of the memory cell in the unrecorded state is determined by the resistance of the Gd-O layer, it was 500 kΩ in each sample.

(EDXマッピング像の観察)
各サンプルにおいて、初期状態、書き込み状態(書き込み過程後の状態)、消去状態(消去過程後の状態)の各状態のTEM及びEDX分析用の試料を採取した。具体的には、抵抗変化素子10の各層2,3,4の積層方向の断面を、FIB(収束Gaイオンビームエッチング)により薄膜化して、試料を作製した。
作製した試料について、EDX分析を行い、EDXマッピング像を得た。EDX分析では、試料の断面上で約1nm径に収光した電子線を1nm間隔でスキャンしながら、各ポイントにおけるEDXスペクトルを取得した。そして、Cu−Kα1,Gd−Lα1,Te−Lα1のEDXピークの積分強度をグレースケールのコントラストで表し、その面分布をプロットすることにより、Cu,Gd,Teの各元素のマッピング像を得た。ただし、ピーク強度を示すグレースケールは定量化されていないので、EDXの元素マッピング像は、定性的な元素分布状況を示している。
(Observation of EDX mapping image)
In each sample, samples for TEM and EDX analysis in each of the initial state, the written state (the state after the writing process), and the erased state (the state after the erasing process) were collected. Specifically, a cross section in the stacking direction of each layer 2, 3, 4 of the resistance change element 10 was thinned by FIB (focused Ga ion beam etching) to prepare a sample.
The prepared sample was subjected to EDX analysis to obtain an EDX mapping image. In the EDX analysis, an EDX spectrum at each point was acquired while scanning an electron beam collected to a diameter of about 1 nm on the cross section of the sample at 1 nm intervals. Then, the integrated intensity of the EDX peaks of Cu-Kα1, Gd-Lα1, and Te-Lα1 is expressed in gray scale contrast, and the surface distribution is plotted, thereby obtaining a mapping image of each element of Cu, Gd, and Te. . However, since the gray scale indicating the peak intensity is not quantified, the element mapping image of EDX shows a qualitative element distribution state.

サンプル1において、初期状態、書き込み状態、消去状態の各状態の断面のEDXマッピング像を、それぞれ図4、図5、図6に示す。
サンプル2において、書き込み状態、消去状態の各状態の断面のEDXマッピング像を、それぞれ図7、図8に示す。
図4〜図8では、各図の左側に組成分布構造を説明する模式図を示し、各図の右側に、Cu,Gd,Teの各元素のマッピング像を並べて示している。
In the sample 1, EDX mapping images of cross sections in the initial state, the write state, and the erase state are shown in FIGS. 4, 5, and 6, respectively.
FIGS. 7 and 8 show EDX mapping images of cross sections of the sample 2 in the written state and the erased state, respectively.
4 to 8, schematic diagrams illustrating the composition distribution structure are shown on the left side of each figure, and mapping images of Cu, Gd, and Te elements are shown side by side on the right side of each figure.

図4に示す、サンプル1の初期状態のEDXマッピング像から、Gd−O層とCuTeGe層との積層構造を有していることがわかる。なお、成膜時のCuTeGeGd膜に含まれていたGd元素は、O元素との強い結合力によって、成膜後にGd−O層内に取り込まれている。   From the EDX mapping image in the initial state of Sample 1 shown in FIG. 4, it can be seen that it has a stacked structure of a Gd—O layer and a CuTeGe layer. Note that the Gd element contained in the CuTeGeGd film at the time of film formation is taken into the Gd—O layer after the film formation by a strong bonding force with the O element.

図5に示す、サンプル1の書き込み状態のマッピング像から、書き込み状態では、Gd−O層内の局所領域にCu組成リッチな伝導パスと、下部電極側にCu組成リッチな析出相が観察される。
この伝導パスの径は、5nm程度と見積もられる。伝導パス内では、Cu元素がGd−O層中に留まり、絶縁膜の不純物準位を形成することによって、もしくは金属導電性を有することによって、抵抗値が低くなるものと考えられる。
金属カルコゲナイド(CuTeGe)層内のCuイオンが、Gd−O層の局所領域に拡散・侵入し、伝導パスを形成するための駆動力として、Cuイオンが電界から受けるクーロン力の効果と、ジュール熱による熱拡散の効果が考えられる。
From the mapping image of the writing state of Sample 1 shown in FIG. 5, in the writing state, a Cu composition-rich conduction path is observed in the local region in the Gd-O layer and a Cu composition-rich precipitation phase is observed on the lower electrode side. .
The diameter of this conduction path is estimated to be about 5 nm. In the conduction path, the Cu element remains in the Gd—O layer, and it is considered that the resistance value is lowered by forming the impurity level of the insulating film or by having metal conductivity.
The Cu ions in the metal chalcogenide (CuTeGe) layer diffuse and invade into the local region of the Gd-O layer to form a conduction path, and the effect of the Coulomb force that the Cu ions receive from the electric field and the Joule heat The effect of thermal diffusion due to can be considered.

ここで、サンプル1の書き込み状態の試料に対して、伝導パスの部分に(約1nm径に)収束させた電子線を照射することにより、電子回折図形(ナノエリアディフラクション)を得た。得られた電子回折図形を、図9Aに示す。
図9Aより、得られた電子回折図形において、回折ピークの位置が明確でなく、幅広いピーク強度分布をもつ光輪状のパターン(以下、ハローパターン(halo-pattern)と呼ぶ)が観察される。
この結果は、伝導パスの結晶学的な構造が、非晶質であることを示している。
Here, an electron diffraction pattern (nano-area diffraction) was obtained by irradiating the electron beam focused on the portion of the conduction path (with a diameter of about 1 nm) onto the sample 1 in the written state. The obtained electron diffraction pattern is shown in FIG. 9A.
From FIG. 9A, in the obtained electron diffraction pattern, the position of the diffraction peak is not clear, and an halo-shaped pattern having a broad peak intensity distribution (hereinafter referred to as a halo-pattern) is observed.
This result shows that the crystallographic structure of the conduction path is amorphous.

また、記憶層2のGd−O層に対して、高分解能ラザフォード後方散乱法(HRBS:High-resolution Rutherford Back-scattering Spectroscopy)により、Gd及びOの各元素の元素密度を測定した。
測定結果を、結晶Gdの値と比較して、表1に示す。
Further, the element density of each element of Gd and O was measured for the Gd—O layer of the memory layer 2 by a high-resolution Rutherford back-scattering spectroscopy (HRBS).
The measurement results are shown in Table 1 in comparison with the value of crystal Gd 2 O 3 .

表1より、記憶層2のGd−O層は、結晶Gd(標準試料)に較べて、20〜30%密度が低い、隙間の多い構造を有していることがわかる。 From Table 1, it can be seen that the Gd—O layer of the memory layer 2 has a structure with many gaps that is 20 to 30% lower in density than the crystal Gd 2 O 3 (standard sample).

電子線回折結果(図9A)及びHRBSの結果(表1)より、図5の伝導パスは、非晶質Gd−O層の隙間にCu元素が拡散・侵入した構造を持つと考えられる。
そして、Gd−O層はイオン結合性の強い酸化物なので、Gd−O層内に拡散・侵入したCuの多くは、Cuイオンとして存在していると考えられる。
From the electron diffraction results (FIG. 9A) and the HRBS results (Table 1), it is considered that the conduction path in FIG. 5 has a structure in which Cu element diffuses and penetrates into the gaps of the amorphous Gd—O layer.
Since the Gd-O layer is an oxide with strong ion bonding properties, most of the Cu diffused and penetrated into the Gd-O layer is considered to exist as Cu ions.

図6に示す、サンプル1の消去状態のマッピング像から、消去状態では、下部電極側にCu組成リッチな析出相が観察される。また、析出相に隣接するGd−O層内には、少量のCuが観察されるが、図5において析出相とCuTeGe層を結んでいた、Cu組成リッチな伝導パスが解消されて導通が遮断されている。   From the mapping image of the erased state of Sample 1 shown in FIG. 6, in the erased state, a precipitated phase rich in Cu composition is observed on the lower electrode side. In addition, a small amount of Cu is observed in the Gd-O layer adjacent to the precipitated phase, but the conduction path that is rich in Cu composition that connects the precipitated phase and the CuTeGe layer in FIG. Has been.

伝導パスが解消されて導通が遮断されるメカニズムとして、下記の現象が起こっていると考えられる。
CuTeGe層と接する上部電極側に負電位が印加されることにより、伝導パス内のCuは、ジュール熱による熱拡散効果と電界から受けるクーロン力との相乗効果によって、CuTeGe層内へ移動・拡散しはじめる。伝導パス内のCu組成が低下し、伝導パスが解消され導通が遮断された時点で、電流はストップする。電流が流れなくなると、ジュール熱による熱拡散の効果はなくなるので、Cuは移動・拡散するのに十分な駆動力を失い、導通が遮断された状態を保持する。
導通が遮断されることによって、Gd−O層の抵抗が元の高い状態に戻り、抵抗変化素子10の抵抗も高くなるので、これにより、書き込まれた情報の消去を行うことが可能になる。
消去後の抵抗変化素子10の抵抗値は、未記録状態とほぼ等しく、500kΩ程度であった。
The following phenomenon is considered to occur as a mechanism in which the conduction path is eliminated and the conduction is cut off.
By applying a negative potential to the upper electrode side in contact with the CuTeGe layer, Cu in the conduction path moves and diffuses into the CuTeGe layer due to a synergistic effect of the thermal diffusion effect due to Joule heat and the Coulomb force received from the electric field. Start. The current stops when the Cu composition in the conduction path decreases, the conduction path is eliminated, and the conduction is interrupted. When the current stops flowing, the effect of thermal diffusion due to Joule heat is lost, so Cu loses a driving force sufficient to move and diffuse, and maintains a state where conduction is cut off.
When the conduction is interrupted, the resistance of the Gd-O layer returns to the original high state, and the resistance of the resistance change element 10 also increases, so that the written information can be erased.
The resistance value of the resistance change element 10 after erasing was approximately equal to that in the unrecorded state, and was about 500 kΩ.

図7に示す、サンプル2の書き込み状態のマッピング像から、書き込み状態では、Gd−O層内の局所領域にCu組成リッチな伝導パスと、下部電極側にCu組成リッチな析出相が観察される。この点は、図5に示したサンプル1の書き込み状態と同様である。
また、伝導パスの径は、10nm程度と見積もられ、サンプル1の伝導パスよりも大きい値を示している。
From the mapping image of the writing state of Sample 2 shown in FIG. 7, in the writing state, a Cu composition-rich conduction path is observed in the local region in the Gd-O layer, and a Cu composition-rich precipitation phase is observed on the lower electrode side. . This is the same as the writing state of Sample 1 shown in FIG.
Further, the diameter of the conduction path is estimated to be about 10 nm, which is larger than the conduction path of Sample 1.

ここで、サンプル2の書き込み状態の試料に対して、伝導パスの部分に(約1nm径に)収束させた電子線を照射することにより、電子回折図形を得た。得られた電子回折図形を、図9Bに示す。
図9Bより、得られた電子回折図形において、スポット状の回折ピークが観察され、伝導パスの結晶学的な構造が、結晶質であることを示している。
そして、この電子回折図形中には、0.2nmの面間隔をもつfcc(111)の回折ピークと、0.12nmのfcc(220)の回折ピークが含まれている。この結果は、伝導パス内にfcc(面心立方格子)構造を有する金属Cuが析出したことを示唆している。
Here, the electron diffraction pattern was obtained by irradiating the sample in the written state of Sample 2 with an electron beam converged on the conduction path (about 1 nm in diameter). The obtained electron diffraction pattern is shown in FIG. 9B.
FIG. 9B shows that a spot-like diffraction peak is observed in the obtained electron diffraction pattern, and the crystallographic structure of the conduction path is crystalline.
The electron diffraction pattern includes a fcc (111) diffraction peak having a surface spacing of 0.2 nm and a fcc (220) diffraction peak of 0.12 nm. This result suggests that metal Cu having an fcc (face centered cubic lattice) structure was deposited in the conduction path.

サンプル2の伝導パスが結晶化した要因としては、書き込みの際の電流値がサンプル1よりも大きいことに起因して、伝導パス内のCu濃度が上昇した効果、或いは、ジュール熱による結晶化の効果等が考えられる。   The cause of the crystallization of the conduction path of sample 2 is that the current value at the time of writing is larger than that of sample 1, and the effect of increasing the Cu concentration in the conduction path or the crystallization due to Joule heat. An effect etc. can be considered.

図8に示す、サンプル2の消去状態のマッピング像から、消去状態では、下部電極側にCu組成リッチな析出相が観察される。また、析出相に隣接するGd−O層内には、残存したCu組成が観察され、その残存量はサンプル1よりも大きい。この結果、図7において析出相とCuTeGe層を結んでいた、Cu組成リッチな伝導パスが充分に解消されずに、低抵抗の原因となっている。
なお、サンプル2の初期状態のマッピング像は、図示しないが、サンプル1の初期状態のマッピング像とほぼ同様である。
From the mapping image of the erased state of Sample 2 shown in FIG. 8, in the erased state, a precipitated phase rich in Cu composition is observed on the lower electrode side. Further, the remaining Cu composition is observed in the Gd—O layer adjacent to the precipitated phase, and the remaining amount is larger than that of the sample 1. As a result, the Cu composition-rich conduction path connecting the precipitated phase and the CuTeGe layer in FIG. 7 is not sufficiently eliminated, causing a low resistance.
The mapping image in the initial state of sample 2 is substantially the same as the mapping image in the initial state of sample 1, although not shown.

(抵抗値のばらつき)
サンプル1及びサンプル2の記憶素子において、それぞれ4000個のメモリセルに対して書き込み及び消去を行い、各メモリセルの初期状態・書き込み状態・消去状態の各状態の抵抗値を測定した。
測定結果として、各状態の抵抗値の積算分布をプロットして、図10A及び図10Bに示す。図10Aはサンプル1の抵抗値の積算分布を示し、図10Bはサンプル2の抵抗値の積算分布を示している。積算分布では、特定の抵抗値(R)以下のセル数が全体(4000個)の何%であるかを表している。
(Resistance variation)
In the memory elements of Sample 1 and Sample 2, writing and erasing were performed on 4000 memory cells, respectively, and the resistance values in the initial state, the writing state, and the erasing state of each memory cell were measured.
As a measurement result, the integrated distribution of resistance values in each state is plotted and shown in FIGS. 10A and 10B. FIG. 10A shows the integrated distribution of resistance values of Sample 1, and FIG. 10B shows the integrated distribution of resistance values of Sample 2. In the integrated distribution, the percentage of the number of cells having a specific resistance value (R) or less is 4000%.

図10A及び図10Bにおいて、消去状態の抵抗値のばらつきを比較する。
図10Aに示すサンプル1では、90%以上のセルで初期状態の抵抗値と同程度の値(500kΩ程度)である。残りの10%のセルで50kΩ〜500kΩの抵抗値を有しているが、書き込み状態の抵抗値(5kΩ)とは一桁以上の抵抗値の差が確保されている。
即ち、サンプル1では、消去状態の抵抗値のばらつきが充分に小さくなっていることがわかる。
一方、図10Bに示すサンプル2では、消去状態の抵抗値が2kΩ〜500kΩの広い範囲に分布しており、ばらつきが大きくなっている。そして、書き込み状態の抵抗値(1kΩ程度)との識別が困難なメモリセルが数10%程度存在する。さらに、高抵抗状態に戻っておらず、消去できていないメモリセルも、存在している。
10A and 10B, variations in resistance values in the erased state are compared.
In the sample 1 shown in FIG. 10A, the value of the resistance in the initial state is about 90% or more (about 500 kΩ). The remaining 10% of cells have a resistance value of 50 kΩ to 500 kΩ, but a difference of one or more digits in resistance value is ensured from the resistance value in the written state (5 kΩ).
That is, it can be seen that in Sample 1, the variation in the resistance value in the erased state is sufficiently small.
On the other hand, in the sample 2 shown in FIG. 10B, the resistance value in the erased state is distributed over a wide range of 2 kΩ to 500 kΩ, and the variation is large. There are about several tens of percent of memory cells that are difficult to distinguish from the resistance value in the written state (about 1 kΩ). Further, there are memory cells that have not returned to the high resistance state and cannot be erased.

ここで、サンプル2の消去状態の抵抗値のばらつきが、サンプル1に比べて大きい理由を考察する。
サンプル2では、伝導パス内の金属Cuが結晶質になっているため、消去電圧印加時に受けるクーロン力がCuイオンに比べて小さくなるために、CuTeGe層への移動が充分に進行せずに、伝導パス内にCu組成が残ってしまう。消去電圧印加後の抵抗値は、伝導パス内に残ったCu組成分布に依存するために、結果として、消去抵抗値にばらつきを生じたと考えられる。
Here, the reason why the variation in resistance value in the erased state of sample 2 is larger than that of sample 1 will be considered.
In Sample 2, since the metal Cu in the conduction path is crystalline, the Coulomb force received when the erase voltage is applied is smaller than that of the Cu ion, so that the movement to the CuTeGe layer does not proceed sufficiently. Cu composition remains in the conduction path. Since the resistance value after application of the erase voltage depends on the Cu composition distribution remaining in the conduction path, it is considered that the erase resistance value varied as a result.

以上の解析結果より、消去抵抗値のばらつきを小さくするためには、伝導パスの結晶学的な構造を非晶質に制御することが必要であると結論される。   From the above analysis results, it is concluded that it is necessary to control the crystallographic structure of the conduction path to be amorphous in order to reduce the variation in the erase resistance value.

上記実施例では、消去抵抗値のばらつきの書き込み電流依存性に注目したが、抵抗値のばらつきの直接的な要因は、伝導パスの結晶学的な構造である。
書き込み電流以外の要因でも、書き込み時の伝導パスの温度上昇や伝導パス内のCu組成に影響を与える要因、例えば、書き込み電圧、イオン源内の元素組成比、構成材料の熱伝導率等によっても、伝導パスの結晶学的な構造が影響を受ける可能性がある。
いずれの場合においても、抵抗値のばらつきは伝導パスの結晶学的な構造に依存し、伝導パスを非晶質に制御することにより、抵抗値のばらつきを小さく抑えることができる。
In the above embodiment, attention is paid to the dependency of the erase resistance value on the write current, but the direct cause of the resistance value variation is the crystallographic structure of the conduction path.
Even with factors other than the write current, factors that affect the temperature rise of the conduction path during writing and the Cu composition in the conduction path, such as the write voltage, the elemental composition ratio in the ion source, the thermal conductivity of the constituent materials, etc. The crystallographic structure of the conduction path can be affected.
In any case, the variation in resistance value depends on the crystallographic structure of the conduction path, and the variation in resistance value can be suppressed small by controlling the conduction path to be amorphous.

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

本発明の一実施の形態の記憶装置を構成する記憶素子の概略構成図(断面図)である。1 is a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a memory element that constitutes a memory device according to an embodiment of the present invention. 図1の記憶素子の模式的平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of the memory element in FIG. 1. 図1の記憶素子の要部の拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the memory element of FIG. サンプル1の初期状態のEDXマッピング像である。It is an EDX mapping image of sample 1 in the initial state. サンプル1の書き込み状態のEDXマッピング像である。It is an EDX mapping image of the writing state of sample 1. サンプル1の消去状態のEDXマッピング像である。It is an EDX mapping image of the erased state of sample 1. サンプル2の書き込み状態のEDXマッピング像である。It is an EDX mapping image of the writing state of sample 2. サンプル2の消去状態のEDXマッピング像である。It is an EDX mapping image of the erased state of sample 2. A サンプル1の伝導パスの電子回折図形である。 B サンプル2の伝導パスの電子回折図形である。A is an electron diffraction pattern of the conduction path of sample 1. FIG. B is an electron diffraction pattern of the conduction path of sample 2. A サンプル1の各状態の抵抗値の積算分布である。 B サンプル2の各状態の抵抗値の積算分布である。A is an integrated distribution of resistance values in each state of sample 1. B is an integrated distribution of resistance values in each state of sample 2.

符号の説明Explanation of symbols

1 下部電極、2 記憶層、3 イオン源層、4 上部電極、10 抵抗変化素子(メモリセル)、14 ゲート電極、31 伝導パス、Tr MOSトランジスタ、BL ビット線、WL ワード線、PL プレート電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower electrode, 2 Memory layer, 3 Ion source layer, 4 Upper electrode, 10 Resistance change element (memory cell), 14 Gate electrode, 31 Conduction path, Tr MOS transistor, BL bit line, WL word line, PL plate electrode

Claims (4)

2つの電極の間に、非晶質の希土類元素の酸化物から成る記憶層が配置され、前記記憶層に接して、Cu,Ag,Znから選ばれるいずれかの金属元素を含む層が設けられた記憶素子を備え、
前記2つの電極間に電圧を印加することにより、前記記憶素子の前記記憶層内の局所領域に、前記金属元素を含有する伝導パスが形成され、かつ前記伝導パスの結晶学的な構造が結晶化せず非晶質が維持されるように、前記記憶素子に流れる電流量が制御されている
記憶装置。
A storage layer made of an amorphous rare earth element oxide is disposed between the two electrodes, and a layer containing any metal element selected from Cu, Ag, and Zn is provided in contact with the storage layer. With a storage element
By applying a voltage between the two electrodes, a conduction path containing the metal element is formed in a local region in the memory layer of the memory element, and the crystallographic structure of the conduction path is a crystal. A storage device in which the amount of current flowing through the storage element is controlled so that the amorphous state is maintained without being formed .
前記記憶素子の前記金属元素を含む層に、さらにTe,S,Seから選ばれるいずれかの元素が含まれている請求項1の記憶装置。 The memory device according to claim 1, wherein the metal element-containing layer of the memory element further includes any element selected from Te, S, and Se. 前記記憶素子の前記金属元素を含む層に接する電極側が正となるように電圧が印加されることにより、前記伝導パスが形成される請求項1又は請求項2の記憶装置。 3. The storage device according to claim 1, wherein the conduction path is formed by applying a voltage so that an electrode side in contact with the layer containing the metal element of the storage element is positive. 前記希土類元素が、Y,La,Nd,Sm,Gd,Tb,Dyから選ばれる1種類以上である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の記憶装置。The storage device according to any one of claims 1 to 3, wherein the rare earth element is at least one selected from Y, La, Nd, Sm, Gd, Tb, and Dy.
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